JP2017123742A - 電力変換装置、電力変換装置の診断システム、電力変換装置の診断サービス - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の診断技術により電力変換器の故障による停止を低減する。【解決手段】半導体モジュール１の端子間電圧に基づく出力電圧波形および半導体モジュールの端子に流れる電流を電流センサ２６で検出した電圧信号が入力され、過渡領域において、出力電圧波形および電圧信号の振幅値を保持しつつフィルタ定数に基づいて出力電圧波形を延伸した出力電圧波形および電圧信号を求める電圧変化量抽出部１４、２１と、過渡領域以外の領域である定常領域における導通状態の保持時間および出力電圧波形および電圧信号の振幅値を有する出力電圧波形および電圧信号を求める電圧変化量抽出部１５、２２と、出力電圧波形および電圧信号が入力されディジタル変換を行うＡＤ変換器１７、２４と、ディジタル変換された出力電圧波形および電圧信号に基づいて半導体モジュールの動作診断を行うディジタル信号処理回路１８と、を有する電力変換装置。【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置、電力変換装置の診断システム、電力変換装置の診断サービスに関する。

電力変換装置内の電力用半導体モジュールの故障診断は、種々の方法があり、例えば、電力用半導体チップ内、または近傍に設けられたダイオードの静特性の温度変化から電力用半導体の接合温度を求める方法がある。また、電力用半導体モジュールの放熱ブロックに設けられたサーミスタや熱電対から半導体素子の接合温度を間接的に求め、あらかじめ設定された接合温度を越えると故障と診断する方法もある。故障が発生してしまった場合、電力用半導体モジュールはもとより、電力用半導体モジュールと接続されているゲート駆動回路やコンデンサなどへ被害が波及し２次故障も考えられる。そのため、再稼働までに故障個所全ての探索、部品交換などで多くの時間を費やすこととなり、運用コストの損失が課題となっていた。

図７は、半導体モジュールの断面図を示す。

半導体モジュール６００は、ベース版６０３、メタル６０４、絶縁基板６０７、電力用半導体素子６０９およびはんだ６０８、６１０から構成されている。冷却器６０１上に半導体モジュール６００が設けられているが、冷却器６０１上にグリス６０２を介して接着されたベース板６０３が設けられており、ベース版６０３上には、メタル６０４、絶縁層６０５、メタル６０６からなる絶縁基板６０７がはんだ６０８を介して実装され、その上には電力用半導体素子６０９がはんだ６１０を介して実装される。電力用半導体素子６０９としてはSiやSiCやGaNを基板材料とするIGBT(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor)やFET(Field-Effect-Semiconductor)素子が考えられる。電力半導体素子６０９で発生した熱ははんだ６１０を介して絶縁基板６０７、ベース板６０３、グリス６０２、冷却器６０１を伝わる。グリス６０２の枯渇、冷却器６０１の故障などにより電力用半導体素子６０９の接合温度が高くなると、熱疲労が大きくなり、応力によりはんだ６０８、６１０に亀裂が入る。すると熱抵抗が高くなり、亀裂が進行して蓄積劣化し、最終的には電力用半導体素子６０９の接合温度が限界を超え故障する。

このような故障の前に、故障を検出、監視、余寿命を推定することにより、突発故障を防ぐとともに運用を計画的に遂行でき、運用コストの削減につながる。稼働中の半導体モジュールの熱抵抗の検出には、接合温度、電力損失を求める必要があり、スイッチング波形の解析が有効である。電力損失を求める場合、分解能10bit、サンプリングレート1Gsps程度のAD変換器を用いるが、高価でありかつ分解能とサンプリングレートとトレードオフの関係にある。そのため、サンプリングレートを下げて分解能を上げ、更に低価格にすることが課題となる。特許文献1のAD変換器のタイムインタリーブ制御は、サンプリングレートの低いAD変換器を複数用い、基準クロックに位相差をつけてサンプリングすることでこの課題を解決している。

特開２０１４−３２８４３６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、複数のAD変換器の変換タイミングと変換出力を高精度に制御し合成する技術と、各AD変換器の特性が揃っていることが必要となり、ディスクリート品のAD変換器で構成することは困難である。また、サンプリングクロックには高速かつ高精度な制御が要求される。高速回路を実現する半導体素子は微細化のため、素子耐圧が低く、インバータのノイズによる過電圧，過電流により故障しやすいという問題点がある。そこで、本発明は電力変換装置内の電力用半導体モジュールの熱抵抗をスイッチング特性から求めるとき、低速なAD変換器を用いて波形を検出する技術と、電力変換装置の診断技術により電力変換器の故障による停止低減を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、半導体モジュールの端子間電圧に基づく出力電圧波形が入力され、出力電圧波形の出力電圧が時間変化する領域である過渡領域において、出力電圧波形の振幅値を保持しつつフィルタ定数に基づいて出力電圧波形を延伸した第１の出力電圧波形を求める第１の電圧変化量抽出部と、出力電圧波形が入力され、出力電圧波形のうち過渡領域以外の領域である定常領域における導通状態の保持時間および出力電圧波形の振幅値を有する第２の出力電圧波形を求める第２の電圧変化量抽出部と、半導体モジュールの端子に流れる電流を電流センサで検出した電圧信号が入力され、電圧信号の出力電圧が時間変化する領域である過渡領域において、電圧信号の振幅値を保持しつつフィルタ定数に基づいて電圧信号を延伸した第３の電圧信号を求める第３の電圧変化量抽出部と、電圧信号が入力され、電圧信号のうち過渡領域以外の領域である定常領域の導通状態の保持時間および電圧信号の振幅値を有する第４の電圧信号を求める第４の電圧変化量抽出部と、第１の出力電圧波形と、第２の出力電圧波形と、第３の電圧信号および第４の電圧信号が入力されディジタル変換を行うＡＤ変換器と、ディジタル変換された第１の出力電圧波形と、第２の出力電圧波形と、第３の電圧信号および第４の電圧信号に基づいて半導体モジュールの動作診断を行うディジタル信号処理部と、を有する。

本発明によれば、稼働中の電力変換装置に搭載された電力用半導体モジュールの接合温度、電力損失、熱抵抗を検出することができ、これを監視することで故障前の予兆を低コスト且つ、高分解能に診断することができる。

実施例１における電力変換装置の構成図である。 実施例１における診断回路の構成図および入出力波形を示した図である。 実施例１における電力変換装置の診断システムの構成図を示している。 第2の実施例における電力変換装置の構成図である。 第2の実施例における電圧波形の１例である。 実施例３における３相インバータを搭載した電力変換装置を示す。 半導体モジュールの断面図を示す。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明に係る電力変換装置の半導体モジュールの診断システムについて図面に示した実施形態を参照して詳細に説明する。説明において、半導体モジュールは主回路電流の遮断と通流を制御するため、主回路電流遮断時には半導体モジュールに主回路電圧が発生し、主回路電流通流時には半導体モジュール内部抵抗起因の小さい電圧降下が発生する。主回路電流遮断後の電圧と電流の時間変化がない領域と、主回路電流通流後の電圧と電
流の時間変化がない領域を定常領域とし、主回路電流遮断時の電圧と電流の時間変化、主回路電流通流時の電圧と電流の時間変化がある領域を過渡領域と定義する。

図１は、実施例１における電力変換装置の構成図である。

半導体モジュール１はスイッチング用のIGBT７と還流用ダイオード８を備えており、電圧印加端子（コレクタ）３と電圧印加端子４（エミッタ）の間に電圧を印加し、制御端子２に供給する制御電圧の大きさで電圧印加端子３と電圧印加端子４の間の導通、非導通を制御する。なお、本実施例では半導体にIGBTを使って説明するが、FETでもよく、また、還流用ダイオードはIGBTやFETと別基板の場合、同一基板内に形成される場合もあるが、本発明はそれを限定するものではい。

半導体モジュール１の電圧検出用端子５、６は診断回路１０の入力端子１１と接続し、電圧印加端子４とバスバー端子９の間のバスバーに設けられた電流センサ２６は診断回路１０の入力端子１９と接続する。

電圧印加端子（コレクタ）３と電圧印加端子４（エミッタ）の間に電圧がある場合、制御端子2により半導体素子が導通、非導通を繰り返すと診断回路１０の入力端子１１には電圧検出端子５、６間の電圧信号が入力される。分圧回路１２では、増幅回路１３の入力電圧レンジ内におさまるように電圧信号の大きさを調整する。分圧回路１２で調整された電圧信号のうち、立ち上り、立下り領域の電圧の時間変化がある領域（過渡領域）に対して、第１の電圧変化量抽出部１４は、立ち上り時間、立下り時間をアナログ信号処理のフィルタ定数により延伸し、選択スイッチ１６で電圧変化量抽出回路１４を選択することでAD変換器１７でディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理回路１８に入力される。増幅回路１３は初段で微分処理により入力波形の時間変化を抽出し、次段で積分処理し、この積分値出力が入力信号を延伸する。この時の積分回路の回路定数がフィルタ定数に相当する。一方、立ち上り時間の最後と立下り時間開始までの電圧変化のない領域(定常領域)は、微分回路などで構成される第２の電圧変化量抽出部１５でアナログ回路処理し、立ち上がり領域と立下り領域にのみ出力がある波形となる。選択スイッチ１６とAD変換器１７を介してディジタル信号処理回路１８に入力される。そしてディジタル信号処理回路１８は、第1の電圧変化量抽出部からの信号に対しフィルタ定数をもとに元波形を演算することで元の立ち上がり、立下り時間を復元し、第2の電圧変化量抽出部で得られた立ち上がり、立ち下りで得られた微分出力間を定常期間として復元、合成する。なお、診断回路１０における復元処理は図２を用いて後述する。

図１に戻り、電流センサ２６で検出された電圧は、診断回路１０の入力端子１９に入力され、増幅回路２０を介して第３の電圧変化量抽出部２１と第４の電圧変化量抽出部２２に入力される。第１の電圧変化量抽出部１４と第２の電圧変化量抽出部１５と同様にアナログ信号処理され、選択スイッチ２３とAD変換器２４を介してディジタル信号処理回路１８に入力され、元の信号波形の順番にならって復元、合成される。ディジタル信号処理回路１８は、基準信号に対する電圧波形と電流波形の遅延量の温度依存性を予め内部メモリに格納し、復元された電圧信号と電流信号と基準信号の遅延時間から半導体モジュール１内部の接合温度を推測する。管理端末２８で接合温度の履歴を管理することで電力変換装置の診断が可能となる。また、管理端末２８は電力変換装置の異常動作を判断するために、電力損失、接合温度、熱抵抗に対し、閾値が設定されており、閾値を越えると診断システム管理者に管理端末を通して異常と余寿命推測値を報告し、突発故障を防ぐことも可能である。

復元された電圧波形と電流波形は、入力端子２５を介して管理端末２８に入力される。管理端末２８は、電圧波形と電流波形を半導体モジュールの制御信号２と比較することで、半導体モジュール１が制御信号２で正常に制御されているかを診断することが可能となる。

図２は、実施例１における診断回路の構成図および入出力波形を示した図である。

まず、第１の電圧変化量抽出部１４および第２の電圧変化量抽出部１５には、過渡領域（立上がり時間ｔ２および立下り時間ｔ３）および定常状態（時間ｔ１）を有する電圧信号が入力される。

次に、第１の電圧変化量抽出部１４は、過渡領域における電圧信号をアナログ信号処理のフィルタ定数により延伸する。すなわち、立上がり時間ｔ２が立上がり時間ｔ４に、立下り時間ｔ３が立下り時間ｔ５に延伸される。延伸された電圧信号は、選択スイッチ１６で電圧変化量抽出部14を選択することでAD変換器１７でディジタル信号に変換される。その後ディジタル信号処理回路１８に入力される。具体的には、図２におけるパルス幅t4のパルス波とパルス幅t5をもつパルス波がAD変換器１７を介してディジタル信号処理回路１８に入力される。このように、AD変換器１７には過渡領域の電圧信号が延伸された電圧信号が入力されるため、分解能が比較的低いAD変換器を用いることが可能となりコスト低減が可能となる。ただし、t4のパルス幅はt1+t２を,越えないように、t5のパルス幅は次の入力信号のt2の開始時間にかからないようにフィルタ定数を設定する必要がある。

第１の電圧変化量抽出部１４では定常状態の波形情報は失われるため、第２の電圧変化量抽出部１５ではアナログ回路処理し、定常状態の特徴量を抽出する。選択スイッチ１６で第2の電圧変化抽出部１５を選択することでAD変換器１７を介してディジタル信号処理回路１８に入力される。具体的にはパルス幅t2のパルス波とパルス幅t4をもつパルス波がt1の時間間隔を持ってＡＤ変換器１７を介してディジタル信号処理１８に入力される。

ディジタル信号処理回路１８は、元の信号波形の順番に倣って電圧信号を合成する。このようにして得られた信号を用いて故障診断を行う。ここで、ディジタル信号処理回路１８は、電圧波形、電流波形の遅延時間と電力用半導体モジュールの接合温度との相関のデータを格納する記憶部を有しており、遅延時間から接合温度を推定し、端末で履歴を管理する事が出来る。

なお、ディジタル信号処理回路１８において復元、合成する前の電圧信号に基づいて故障診断を行ってもよい。

また、ディジタル信号処理回路１８が複数の信号を入力できる場合、選択スイッチ１６を使わずに、それぞれの電圧変化量抽出部の出力にAD変換器を接続しすることも可能である。

電流センサについては電圧変化量抽出回路を１４を２１に、１５を２２に、選択スイッチ１６を２３に、AD変換回路１７を２４に置き換えた場合と同じであるため説明は省略する。

以上のように、本実施例の構成を採用することで、元波形の情報が欠落することなく波形復元することができる。一方、過渡領域および定常領域を分割処理をすることなく過渡領域のみを延伸処理する場合には、過渡領域が広く定常領域が狭くなるため元波形の情報が欠落する可能性がある。特に、定常領域の時間帯が短い場合においては、元波形の情報が欠落する状況が生じやすい。

図３は、実施例１における電力変換装置の診断システムの構成図を示している。

電力変換装置３０ａ〜３０ｄの管理端末の出力端子３３ａ〜３３ｄが、インターネット回線や専用通信回線などの情報通信ネットワーク網３４に接続され、点在する電力変換装置３０ａ〜３０ｄをサーバー３５で一括管理し、異常や余寿命に応じて電力変換装置の稼働計画、部品手配計画を提案するなどの電力変換装置の診断サービスを提供することができる。

本実施例では、過渡領域における波形の形状を再現できる電力変換装置の例を説明する。

図４は、第2の実施例における電力変換装置の構成図である。本実施例では、過渡領域を４倍に延伸する第１の電圧変化量抽出部を1番から5番目まで設けているときを例にして説明する。この過渡領域の延伸量及び回路数は本発明を限定するものではない。図１の電力変換装置のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では、増幅回路２０および１３から出力された信号は、それぞれ選択スイッチ２７および２９に入力される。この時の回路動作を図５を使って説明する。図5は横軸が時間、縦軸が電圧値で図示されたスイッチング動作時の増幅回路１３、２０から出力された電圧波形の1例である。図５においてt1からt6は過渡領域、t6からt22は定常領域である。選択スイッチ２７と２３、２９と１６はそれぞれディジタル信号処理回路１８によリ制御されている。過渡領域、定常領域の時間はインバータの負荷状態で変化するため、インバータの制御情報をもとに過渡領域の時間を５分割し、選択スイッチの切り替え時間を決定する。選択スイッチ２３と１６は電圧変化量抽出部により時間が４倍に延伸された信号が通るため、選択スイッチを切り替える時間間隔が長くなる。初期状態では選択スイッチ２９は制御信号により第１の電圧変化量抽出部の1番目を選択しており、t1からt2の期間抽出した電圧波形をt1からt5に延伸し出力する。この出力は第１の発明の実施形態に則りパルス波でもよいが、１番目から5番目の出力パルス波をずらして図５のＡＤ変換入力波形を実現することは困難である。そこでパルス波を用いずに、図5に示した５つの第１の電圧波形抽出部の出力のようにハイレベルの電圧値を保持した出力にした方が、選択スイッチ１６の切り替えで図のAD変換器入力波形を容易に得ることができる。ＡＤ変換器入力波形によりディジタル信号処理１８の内部で合成信号が得られる。この合成信号の時間軸を１/４にすることで元の増幅回路１３と同等の振幅値、過渡領域波形を持つ電圧信号を得ることができる。出力波形これによりディジタル信号回路遅延時間など理由でt1より少し遅れて信号が出力されるが、本説明では図５を使った説明を容易にするため省略している。以上のことから、入出力に接続された選択スイッチを切り替えていくことで遷移時間をn分割して波形処理できるため、ｎ分割しない実施例１の場合と比較して、波形形状の再現向上が可能となる。こうして得られた合成された電圧波形と電流波形をもとに電力損失を算出し、半導体モジュール１の発熱量を求め、不図示の管理端末で発熱量の履歴を記憶しておくことで、電力変換装置の診断が可能となる。

また、これまで求めた電力損失、接合温度をもとに熱抵抗を算出し、管理端末２８で履歴を管理することで電力変換装置の診断が可能となる。

本実施例では、３相インバータを搭載した電力変換装置の例を説明する。

図６は、実施例３における３相インバータを搭載した電力変換装置を示す。半導体モジュール１ａ〜１ｆは、直流電源２８に接続されており、負荷としてモータ３１が接続されている。電力変換装置の故障は半導体モジュールの故障によるものがあり、半導体モジュールの故障は半導体素子の接合温度の上昇によるものが多い。半導体モジュール１ａ〜１ｆは各々に診断回路１０a〜１０ｆが設けられており、本構成により電力変換装置を構成する各半導体モジュールの温度を検出できるため、制御信号、各モジュールの電圧と電流と照らし合わせることで稼働状況及び異常を詳細に診断することが可能となる。なお、診断回路１１ａの構成は既に説明した図１に示した診断回路１１の構成と対応する構成を有している。また、本実施例は３相インバータを搭載した電力変換装置を取り上げたが、インバータの構成を限定するものではない。

1…半導体モジュール
2…半導体の制御端子
3,4…半導体の電圧印加用主端子
5,6…電圧検出用端子
7…半導体（IGBT）
8…半導体（ダイオード）
9…バスバー端子
10…診断回路
11…診断回路入力端子（電圧検出用）
12…分圧回路
13…増幅回路
14,21…電圧変化量抽出部１
15,22…電圧変化量抽出部２
16,23,27,29…選択スイッチ
17,24…AD変換器
18…ディジタル信号処理回路
19…診断回路入力端子（電流検出用）
20…増幅回路
25…診断回路出力端子
26…電流センサ
28…電源
30…３相インバータを搭載した電力変換装置
32…管理端末
33…管理端末出力端子

Claims (7)

1. 半導体モジュールの端子間電圧に基づく出力電圧波形が入力され、前記出力電圧波形の出力電圧が時間変化する領域である過渡領域において、前記出力電圧波形の振幅値を保持しつつフィルタ定数に基づいて前記出力電圧波形を延伸した第１の出力電圧波形を求める第１の電圧変化量抽出部と、
   前記出力電圧波形が入力され、前記出力電圧波形のうち前記過渡領域以外の領域である定常領域における導通状態の保持時間および前記出力電圧波形の振幅値を有する第２の出力電圧波形を求める第２の電圧変化量抽出部と、
   前記半導体モジュールの端子に流れる電流を電流センサで検出した電圧信号が入力され、前記電圧信号の出力電圧が時間変化する領域である過渡領域において、前記電圧信号の振幅値を保持しつつフィルタ定数に基づいて前記電圧信号を延伸した第３の電圧信号を求める第３の電圧変化量抽出部と、
   前記電圧信号が入力され、前記電圧信号のうち前記過渡領域以外の領域である定常領域の導通状態の保持時間および前記電圧信号の振幅値を有する第４の電圧信号を求める第４の電圧変化量抽出部と、
   前記第１の出力電圧波形と、前記第２の出力電圧波形と、前記第３の電圧信号および前記第４の電圧信号が入力されディジタル変換を行うＡＤ変換器と、
   前記ディジタル変換された前記第１の出力電圧波形と、前記第２の出力電圧波形と、前記第３の電圧信号および前記第４の電圧信号に基づいて前記半導体モジュールの動作診断を行うディジタル信号処理部と、
   を有する電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記ディジタル信号処理部は、前記第１の出力電圧波形を前記フィルタ定数に基づいて波形復元処理を行い前記第２の出力電圧波形と合成することで第１の合成電圧波形を生成し、前記第３の電圧信号を前記フィルタ定数に基づいて波形復元処理を行い前記第４の電圧信号と合成することで第２の合成電圧波形を生成し、前記第１の合成電圧波形および前記第２の合成電圧波形に基づいて前記半導体モジュールの動作診断を行う電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記ディジタル信号処理部は、前記第１の合成電圧波形および前記第２の合成電圧波形に基づいて前記半導体モジュールの電力損失を求める電力変換装置。
4. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   電流波形および電圧波形の基準波形に対する遅延量に対する前記半導体モジュールの接合温度の相関データを格納する記憶部を有する電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置が接続される管理端末を有し、
   前記管理端末は前記診断結果や余寿命推測値をユーザに提示する電力変換装置の診断システム。
6. 請求項５に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   前記診断結果に関するデータの履歴を前記管理端末で管理することを特徴とする電力変換装置の診断システム。
7. 請求項５に記載の管理端末はインターネット回線や専用通信回線などの情報通信ネットワーク網に接続され、点在する電力変換装置をサーバーで一括管理し、異常や余寿命に応じて電力変換装置の稼働計画、部品手配計画を提案することを特徴とする電力変換装置の診断サービス。

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